Kurzzeitdynamische Eigenschaften von textilen Hochleistungsfaserstoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Chokri Cherif
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269480495

Im Zusammenhang mit der Erweiterung des Einsatzgebietes faserbasierter Werkstoffe und technischer Textilien in Bereichen mit höchsten Beanspruchungen rückt auch die Frage nach den mechanischen Eigenschaften von Faserwerkstoffen unter sehr schnell einwirkenden Belastungen immer stärker in den Mittelpunkt des wissenschaftlichen Interesses. Derartige Belastungen treten beispielweise in Ballistikschutztextilien, aber auch bei Verbundwerkstoffen mit Faserverstärkungen (Faserkunststoffverbunde, Textilbeton) auf, die Impactbeanspruchungen ausgesetzt sind. Die für reine Hochleistungsfaserstoffe, insbesondere Glasfaser(GF)-, Carbonfaser(CF)- und Aramid(AR)-Filamentgarnen, existierenden zugmechanischen Kenndaten beziehen sich bislang überwiegend auf das Verhalten unter statischer und quasistatischer Belastung, da für Untersuchungen unter kurzzeitdynamischer Beanspruchung gegenwärtig keine zuverlässigen Prüfstände und methoden zur Verfügung stehen, die für die speziellen Anforderungen derartiger Proben unter hohen Belastungsgeschwindigkeiten ausgelegt sind. Das Ziel des Projekts besteht in der Entwicklung einer Prüfmethode, mit der dehnratenabhängige Filamentgarnfestigkeiten und -steifigkeiten von imprägnierten und nicht imprägnierten Hochleistungsfaserstoffen in Faserlängsrichtung, insbesondere GF-, CF- und AR-Filamentgarnen, zuverlässig und reproduzierbar ermittelt werden können. Hierfür wird eine am ITM konzipierte Versuchsmethodik unter Verwendung eines existierenden Fallprüfstandes nach den Anforderungen textiler Hochleistungsfilamentgarne und für entsprechend größere Prüfgeschwindigkeiten und damit höhere Dehnraten bis 100 s-1 weiterentwickelt. Aufbauend auf den dabei gewonnenen Erkenntnissen wird zur Erschließung des darüber hinaus gehenden Dehnratenbereichs bis 1000 s-1 ein speziell auf diese Anforderungen zu konzeptionierender Prüfstand auf Basis eines Rotationsantriebes entwickelt, einschließlich der Weiterentwicklung und Integration der Kraft- und Wegmesstechnik.Zusätzlich sollen die Grundlagen zur analytischen Beschreibung der dehnratenabhängigen mechanischen Materialeigenschaften der Hochleistungsfilamentgarne unter zugmechanischer Belastung basierend auf einer Weibull-Festigkeitsverteilung geschaffen werden. Dazu werden die dehnratenabhängigen Werkstoffparameter Zugfestigkeit, Steifigkeit und Energieabsorptionsvermögen systematisch ermittelt und durch analytische Materialgesetze beschrieben. Diese Gesetzmäßigkeiten bilden eine wesentliche Grundlage für die Modellierung des lokalen und globalen mechanischen Verhaltens textiler Hochleistungswerkstoffe bei kurzzeitdynamischer Impactbeanspruchung insbesondere im für die Bauteilauslegung essenziellen Versagensfall, um darauf aufbauend entscheidende Voraussetzungen für fundierte impactorientierte Entwicklungen, Modellierungen und Simulationen hochbelastbarer Hochleistungsfaserwerkstoffe und -strukturen zu schaffen und damit völlig neue Einsatzmöglichkeiten zu erschließen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen